分子进化

基因组大小的变化是由非基因的DNA含量变化引起的。
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2.3 核酸序列 二种：简单序列：结构基因的组成部分；
重复序列：包含调节基因的顺序。 序列变化：替换、插入、缺失 在不同生物中，核酸序列的差异能反映它们之间
亲缘关系的远近。 同源基因而言，亲缘关系越近，序列差异越小。 核酸序列变化的速率在同一基因中的不同区域是有
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经历两个阶段： 60年代，蛋白质序列分析和电泳技术的引入，对不同生物
的蛋白质结构进行比较，分析它们之间的差别及差别性质。 发现特定蛋白质的氨基酸替换速度是基本恒定的。
分子钟；分子进化的中性学说 80年代，RFLP,PCR等，对不同生物的基因进行分析比较，
并对DNA序列进行比对，找出差异，以探究不同物种在进 化上的渊源与联系。基因的进化速度是稳定的。
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不破坏分子的现有结构和功能的突变发生的频 率较高。
例如，基因的内含子、假基因、卫星DNA等的 替换速率远高于基因的外显子；密码子第三位 碱基的替换率远高于第一、二位碱基。 —— 3 > 1 > 2
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4.3 新基因常来源于原有基因的重复。
基因重复在生物进化和新基因产生中起创造性的 作用。同一基因存在着两个拷贝，使一个拷贝 可积累突变并最终以一个新基因的姿态出现， 而另一个拷贝则保留物种在过渡时期生存所需 的老功能。
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建立分子钟的步骤
⑴ 选择所要比较的生物大分子种类：根据具体的研究目的和 已掌握的资料，选择进化速率相对恒定、速率大小合适、 在要比较的所有物种中都存在的生物大分子。
⑵ 选择所要比较的物种，确定各个比较组合及其所代表的进 化事件。
⑶ 获得要比较的物种的生物大分子一级结构信息；从古生物 学和地质年代学资料中获得每一个比较组合所代表的进化 事件发生的地质时间的数据。
区别的。 同义替换；非同义替换
非编码区的核苷酸变化速率要高于编码区。
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3.蛋白质的进化 3.1 不同物种中同一蛋白质结构的比较
细胞色素c
对不同生物来说，同种氨基酸序列的差异愈小，它们的亲缘 关系愈近；反之，差异越大，关系越远。
人与黑猩猩的细胞色素c的氨基酸序列差异为0；
与罗猴：1 马： 12 果蝇：27 向日葵：38 可根据差异程度，推算它们在进化过程中分歧的时间。 例如，哺乳动物与爬行动物：差104个，2.74亿年。
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后来，对若干代表性蛋白质的分析，以及近年来 又通过直接对比基因的碱基排列顺序，证实了 分子进化速度的恒定性大致成立，并由中立说 在理论上奠定了基础。这便是“分子钟”名称 的由来。
分子钟：Molecular Clock
以某一进化事件作为划分时间的刻度，并以此 判定其他进化事件出现的时间。
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结构域在一组蛋白质中有广为分布的现象。结构域的广 研究对蛋白质分子进化的阐明有重要作用。
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4.生物大分子进化的特点
在生物大分子这个层次上考查进化，可以看到一个 很不同于表型进化的历程。生物大分子进化有如 下特点：
（一）分子进化速率的恒定性 （二）分子进化的保守性 （三）新基因常来源于原有基因的重复 （四）有害突变的选择清除和中性突变的固定
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2.核酸的进化
2.1 DNA 含量 从低等到高等，C值逐渐增大的。但DNA含量不一定与生物
的复杂程度成正比，例如肺鱼比哺乳类含量高。 2.2 基因组大小 在生物进化过程中，从低级到高级，基因的数量是逐渐增
加的； 原核生物的基因组较小，且变化范围不大； 真核比原核大，变化范围也大，但基因数量相差不大。
而不是它的结构。例如反刍动物胃内具有高浓度的溶菌酶， 含量差别主要在于调节突变。
分子进化和机体进化之间的联系很可能是通过调节突变建立 起来的；调节突变在适应进化中可能起着主要用。
人猿差别为例，遗传差别小，形态差别大。
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2.中性突变与随机漂变 2.1 中性突变
是一种不影响蛋白质功能的突变，是主要的。 主要原因：直接影响蛋白质功能的DNA位点上，进
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必须注意：分子进化速度的恒定性是在整个漫 长的进化过程后平均得出的结论。
就一种蛋白质来讲，在整个进化过程中，进化速度大体 恒定；但是不同的蛋白质的种类，速度就会由于作用 于各种蛋白质的机能性制约，差异程度大不相同。
例如，在属于进化最快一类的纤维蛋白肽与进化非常缓 慢的组蛋白之间，速度上就有两位数的差异。
下，不同蛋白质呈现不同的迁移率，可用电泳法进行测定。
1.4 分子杂交技术
原位杂交技术 斯奥森杂交技术 Southern杂交技术：分离的DNA片段从凝胶转移到硝酸纤
维薄膜上，再进行分子杂交。 Northern 杂交技术：将电泳分离后的变型RNA转移到纤维
素膜上再进行杂交的技术。
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1.5 限制性片段长度多态性分析（RFLP）
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一般情况下，蛋白质进化缓慢，因而适于研究 远缘种间的系统关系，而DNA的分子钟速度快， 适宜分析近缘种间的进化。
DNA分子钟研究速度均一，不因基因而异，所以只要知 道平均值就可以适用于任何基因；另外还可以叠合由 不同基因获得的结果。因此，为了绘出正确的生物进 化系统树，还需要在大量数据的基础上进行考察。
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3.2同一物种中不同蛋白质的比较 能迅速发现许多由相似氨基酸分子组成的蛋白质， 并由此追溯它们之间的起源关系。
例如血红蛋白和肌红蛋白，结构上明显相似，与其 功能相似，来源相同有关。
有些蛋白质，在整体结构上有很大差别，但其中某一片段却 相似，这种结构上共同序列的存在，可以认为是进化的某 一点上，它们可能共用过同一遗传信息。共同序列就是结 构域。
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经木村资生（Kimura，1989）的总结，根据 各个不同对物种计算出来的同源生物大分子的 分子进化速率，大致相等。
分子进化速率远比表型进化速率稳定。一些研究 还表明，生物大分子的一级结构的改变（替换） 只和进化所经历的时间相关，而与表型进化速 率无关。
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木村资生根据自己的研究，提出10的－9 次方 是分子进化的标准速率，将每年、每个氨基酸 位点的1×10的－9次方的进化速率定为分子进 化的单位，称 1 Pauling。
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3.分子进化的意义
为进化论的研究注入了新的活力，使生物进化论 实现了在宏观和微观水平上的统一；
通过比较生物大分子来研究各种生物的进化关系 以及物种之间的亲缘关系；
有望解决系统发育或分类学中某些长期未解决的 问题，同时还将有助于揭示新的进化途径。
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二、生物大分子与生物进化
1.分子进化的若干研究方法 1.1 蛋白质氨基酸序列的测定 是研究分子进化的基本方法。比较同源蛋白质中氨
分子进化的恒定性并不是说所有的分子进化速 度完全相同。
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4.2 分子进化的保守性 生物分子进化的“保守性”是指功能上重要的大
部子或大分子中功能重要的局部，在进化速率 上明显低于那些功能上不重要的大分子或大分 子的局部。 换句话说，那些会引起现有表型发生显著改变的 突变（替换），其发生的频率要比那些无明显 表型效应的突变（替换）发生的频率低。
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利用分子钟绘制系统树比依据化石方法有如下 优点：
第一，只要比较“现存”生物基因或蛋白质的氨基酸排 列顺序即可绘出系统树，仅仅在确定分子钟的走速、 量度时间才需要化石资料。
第二，与收集化石相比，工作要简单得多。特别是近来 已能轻而易举地确定基因的碱基排列顺序，这一优点 就更为突出。
第三，客观而且定量，具有再现性。
及这些变化和生物进化的关系称为分子进化。 广义的分子进化的两层含义： （1）原始生命出现以前的化学演化 （2）生物在进化发展中，生物大分子的结构变化以
及这种变化和生物进化的关系等。 2.分子进化的产生和发展 20世纪50年代以来，随着分子生物学发展，对生
物大分子在进化过程中的作用及其变化规律有了 进一步的认识，产生了有关分子进化的理论。
第十二章 分子进化 Molecular evolution
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主要内容
一、分子进化定义 二、生物大分子与生物进化 三、分子进化的机制 四、分子钟 五、分子树与分子系统学 六、古分子系统（生物）学
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一、分子进化的一般概念
1.概念： 生物在发展的过程中，生物大分子结构的变化以
1点突变与调节突变 1.1 点突变：替换、缺失、插入和到位 点突变可影响蛋白质氨基酸序列的变化，从而引发生物性状
的改变。
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1.2 调节突变 指某一基因内部或其附近决定该基因活化与否的 部位变化。这一基因调节部位的变化，会影响基 因的表达，尤其影响发育过程中某些特定基因的 开启和关闭。
引起机体水平适应进化的主要原因在于某种蛋白质的浓度，
Linus Pauling
Emile Zuckerkandl
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分子钟提供了在分子水平分析系统进化的手段：
例子1：费奇（Fitch）和马戈利来希（Margoriash）使 用细胞色素C的氨基酸序列，再现了动植物和菌类的 进化历程。
例子2：沙里奇（Sarih）和威尔逊（Wilson）用分子钟 研究灵长类进化，否定了拉玛古猿是人类直接祖先， 表明了人类的出现比原先人们一直相信的年代晚得多。
基酸序列的差异，可以获得很多分子进化方面的 资料。胰岛素 1.2 核酸中核苷酸的测定 核酸是分子进化的主要研究对象。分析比较核酸 中核苷酸序列的异同，是当前研究分子进化的主 要内容。 酶法；化学法；核酸序列自动分析仪。
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1.3 蛋白质电泳分析
30年代，电泳技术应用于蛋白质研究。 纸上电泳；醋酸纤维薄膜电泳和聚丙烯酰胺凝胶电泳。 蛋白质是两性电介质。结构变化导致电荷变化，在电场作用
DNA多态性：生物个体之间DNA的差异。 利用限制性核酸内切酶能识别并切开DNA分子上特定的
核苷酸序列的能力，对DNA分子进行酶促降解，形成不同 长度的DNA片段，电泳分离，片段分开，转移和固定到载 体上，以同位素标记的多核苷酸探针与膜上互补的DNA片 段杂交结合，并通过放射自显影等方法将杂交片段以条带 形式显示出来，从而获得DNA多态性酶切图谱。 1.6 PCR技术 可用于古代DNA的研究，木兰化石分离叶绿体DNA.